Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Эксперимент 27. Разбираем динамик
Дальше: Эксперимент 29. Фильтрация частот
Эксперимент 28. Демонстрируем самоиндукцию катушки
Вы убедились, что при пропускании тока через обмотку, он создает магнитное поле. А что происходит с созданным полем, когда вы отключаете ток? Энергия магнитного поля превращается обратно в короткий импульс электрического тока. Мы говорим, что это происходит, когда поле спадает. Описанный далее эксперимент позволит вам воочию убедиться в этом.
Что вам понадобится
• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр
• Слаботочные светодиоды (2 шт.)
• Монтажный провод 22-го (лучше 26-го) калибра (диаметр 0,64 или 0,4 мм), 30 метров (1 катушка)
• Резистор номиналом 47 Ом (1 шт.)
• Конденсатор емкостью 1000 мкФ или больше (1 шт.)
• Кнопка (1 шт.)
Методика проведения
Взгляните на электрическую схему, приведенную на рис. 5.34. Макет установки показан на рис. 5.35. Для обмотки можете использовать бухту монтажного провода 22-го калибра длиной 30 метров. Как вариант, если вы намотали катушку из 60 метров провода в эксперименте 26, то подойдет и она, а если вы приобрели обмоточный провод, то это еще лучше.
На первый взгляд схема может показаться вам бессмысленной. Резистор 47 Ом слишком мал для защиты светодиода, но почему вообще светодиод должен гореть, когда электрический ток может обойти его через катушку?
Рис. 5.34. Простая схема для демонстрации собственной индуктивности катушки
Рис. 5.35. Компоновка макетной платы для эксперимента по самоиндукции.
Теперь проверьте работу схемы, и я думаю, что вы будете удивлены. Каждый раз, когда вы нажимаете кнопку, светодиод мигает. Вы можете предположить, почему?
Попробуем добавить второй светодиод, подключив его по-другому, как показано на рис. 5.36 и 5.37. Опять нажмите кнопку, и первый светодиод мигнет, как и раньше. Но теперь, когда вы отпустите кнопку, мигнет второй светодиод.
Рис. 5.36. Один светодиод мигает при появлении магнитного поля, а второй — при его исчезновении
Рис. 5.37. Макет установки с двумя светодиодами
Понятие самоиндукции
Во время этого эксперимента происходило следующее. Вначале катушке необходим короткий промежуток времени для создания магнитного поля. На это требуется очень малое время, в течение которого сопротивление катушки велико и она почти не проводит электрический ток. В результате часть тока проходит через первый светодиод. После создания магнитного поля сопротивление катушки падает и ток, протекающий через нее, резко увеличивается.
Эта реакция катушки называется самоиндукцией. Иногда говорят об индуктивном сопротивлении или реактивном сопротивлении, но поскольку правильным является термин «самоиндукция», я буду употреблять именно его.
Когда вы отключили питание, магнитное поле сошло на нет, а энергия этого поля преобразовалось обратно в короткий импульс электрического тока. Он зажег второй светодиод, когда вы отпустили кнопку. Естественно, катушки разного размера накапливают и высвобождают различное количество энергии.
Возможно, вы помните, что в эксперименте 15 я советовал вам подключить диод параллельно катушке реле, чтобы подавить бросок тока, который возникает при подаче питания на катушку и при его отключении. Теперь вы сами увидели этот эффект.
Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности
Три основных типа пассивных компонентов в электронике — это резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Теперь мы можем перечислить и сравнить их свойства.
Резистор уменьшает электрический ток и понижает напряжение.
Конденсатор проводит начальный импульс тока, но блокирует постоянный ток.
Катушка индуктивности (иногда ее называют индуктором) в первый момент блокирует постоянный ток, а затем пропускает его.
В схеме, которую я вам только что показал, номинал резистора невелик, поскольку я знал, что импульс тока через светодиод будет очень коротким. Мигание светодиодов было бы менее заметным, если номинал резистора был как обычно 330 или 470 Ом.
Внимание!Не подавайте питание на эту схему без подключенной обмотки. Вы быстро сожжете один или оба светодиода. Может показаться, что катушка ничего не делает, но это не так.
Вот еще один, последний, вариант этого эксперимента — для проверки вашей памяти и понимания основ электроники. Соберите новую схему, показанную на рис. 5.38 и 5.39, заменив катушку индуктивности конденсатором на 1000 мкФ (соблюдайте полярность, положительный вывод должен быть вверху). Номинал резистора здесь 470 Ом, потому что теперь нет катушки, которая блокирует и отводит ток.
Вначале нажмите и удерживайте пару секунд кнопку В, чтобы убедиться в том, что конденсатор разряжен. Что мы теперь увидим, когда нажмем кнопку А? Вероятно, вы догадываетесь. Вспомните, конденсатор будет пропускать начальный импульс тока. Следовательно, загорится нижний светодиод — и затем постепенно погаснет, потому что конденсатор накапливает положительный заряд на своей верхней пластине, а отрицательный — на нижней. Когда это произойдет, потенциал на нижнем светодиоде упадет до нуля.
Рис. 5.38. Поведение конденсатора во многом противоположно поведению катушки индуктивности
Конденсатор теперь заряжен. Нажмите правую кнопку, и конденсатор разрядится через верхний светодиод. Вы убедились, что поведение этого устройства аналогично устройству, изображенному на рис. 5.37, но здесь роль накопителя энергии играет не катушка индуктивности, а конденсатор.
И конденсаторы, и индукторы сохраняют энергию. Более очевидным это оказалось в случае с конденсатором, поскольку конденсатор большой емкости намного меньше по размерам, чем катушка с высокой индуктивностью.
Понятие о переменном токе
Вот очень простой мысленный эксперимент. Предположим, вы пропускаете последовательность импульсов от таймера 555 через катушку индуктивности. Это элементарная форма переменного тока.
Рис. 5.39. Компоновка макетной платы для демонстрации работы конденсатора
Будет ли самоиндукция катушки влиять на этот поток импульсов? Все будет зависеть от длительности каждого импульса и от того, какой индуктивностью обладает катушка. Если частота импульсов выбрана правильно, то самоиндукция катушки будет достаточной, чтобы блокировать каждый импульс. Затем катушка будет восстанавливаться какое-то время, блокируя следующий импульс. В соединении с резистором (или с сопротивлением динамика) катушка индуктивности может подавлять некоторые частоты, пропуская остальные.
Если у вас есть стереосистема с маленьким динамиком для воспроизведения верхних частот и большим динамиком для воспроизведения нижних, то почти наверняка внутри корпуса динамика есть катушка индуктивности, которая не позволяет верхним частотам идти к большому динамику.
Что произойдет, если вы замените катушку конденсатором? Если длительность импульсов велика в сравнении с временем заряда конденсатора, то он будет блокировать их. Но при небольшой длительности импульсов конденсатор сможет заряжаться и разряжаться синхронно с импульсами и будет пропускать их.
В данной книге у меня нет места, чтобы углубиться в теорию переменного тока. Это обширная и сложная область, в которой электрический ток ведет себя странным и удивительным образом, а описывающие это математические формулы становятся довольно сложными, поскольку содержат дифференциальные уравнения и мнимые числа.
ЗамечаниеЧто такое мнимое число? Самый распространенный пример — квадратный корень из -1. Как такое может быть? Никак, и поэтому мы говорим, что число мнимое. Однако такие числа неожиданным образом используются в теории электричества. Если вы заинтересовались, почитайте что-либо об этом в книгах по теории электричества.
Но я пока еще не закончил с катушками индуктивности. Следующий эксперимент продемонстрирует звуковые эффекты, которые я только что описал.
